淺議水電廠機組狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)

水電廠機組狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)實時監(jiān)測水輪發(fā)電機組的運行狀態(tài)及健康狀況，根據(jù)狀態(tài)制定檢修計劃及輔助決策，確保機組安全、經(jīng)濟、高效運行，滿足水電廠"無人值班（少人值守）"的運行模式。

一、前言

水電廠機組狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)是利用監(jiān)測技術、網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術等實現(xiàn)水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷、分析，為水電廠從計劃檢修過渡到狀態(tài)檢修提供輔助，根據(jù)機組健康狀態(tài)制定檢修計劃。對于疑難故障，結(jié)合專家經(jīng)驗及遠程會診，實現(xiàn)診斷的時實性與精確性；也便于水電廠管理人員及時了解機組運行狀況，獲取診斷報告，實現(xiàn)狀態(tài)預警，避免事故和故障擴大，為生產(chǎn)管理提供決策輔助，保證機組安全運行，滿足水電廠"無人值班（少人值守）"的運行模式。

本文是筆者在負責某一水電廠的機組狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)改造過程中，結(jié)合系統(tǒng)的設計、軟件開發(fā)、現(xiàn)場調(diào)試與實際應用環(huán)節(jié)的個人觀點。水電廠機組狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)在線監(jiān)測機組狀態(tài)參數(shù)（振動擺度、脈動、電參數(shù)、空氣間隙、磁場強度、局部放電），結(jié)合SCADA及設備檢修數(shù)據(jù)，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，掌握機組狀況，實現(xiàn)機組狀態(tài)檢修與生產(chǎn)管理輔助決策。

二、系統(tǒng)組成

2.1.系統(tǒng)軟件

2.1.1.操作系統(tǒng)：WINDOWS操作系統(tǒng)；

2.1.2數(shù)據(jù)庫軟件：SQLSERVER 2005；

2.1.3開發(fā)工具：LabWindows CVI6；

2.2系統(tǒng)構成

2.2.1現(xiàn)地機組狀態(tài)監(jiān)測裝置：結(jié)合測點數(shù)量或技術要求分為單機或多機系統(tǒng)，盡量簡化現(xiàn)地功能，僅提供如振幅、波形、越限報警等基本功能，提高現(xiàn)地裝置的可靠性。

2.2.2后臺診斷及分析系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、處理、分析，提供狀態(tài)監(jiān)測、過程監(jiān)測、故障預判與診斷、相關分析、遠程診斷等功能。

2.2.3遠程終端：查詢機組狀態(tài)、設備性能報告。

2.2.4系統(tǒng)軟件、硬件設備采用模塊化設計，以滿足不同應用要求。

2.3系統(tǒng)硬件

2.3.1現(xiàn)地裝置：為機旁控制屏柜及附件、人機接口、采集設備、網(wǎng)絡設備、信號調(diào)理、供電模塊；

2.3.2后臺診斷及分析系統(tǒng)，為一臺高性能工業(yè)計算機或服務器；

2.3.3數(shù)據(jù)通訊：現(xiàn)地機組狀態(tài)監(jiān)測裝置與后臺診斷及分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，采用MODBUS_TCP/IP協(xié)議。

2.4系統(tǒng)功能

2.4.1數(shù)據(jù)收集

收集設備運行、檢修、試驗的數(shù)據(jù)，如局部放電、空氣間隙、磁場強度、壓力脈動、振動、擺度等，并結(jié)合電廠運維修人員經(jīng)驗進行分析，有條件情況下利用電廠和制造廠的專家知識進行輔助，在此基礎上建立檢修管理及專家診斷知識庫，針對性地選用測量儀器，采集必要的參數(shù)，狀態(tài)檢修工作要特別注意長期積累，定期總結(jié)及驗證。

2.4.2穩(wěn)態(tài)信號分析

對于機組在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下的振動測量，需要通過信號分析獲得若干重要信息：

1）為確定振動的劇烈程度，需測量總體振動水平，即一般所謂的振幅值，如通頻值或振動總量。

2）采用頻譜分析尋找振動故障的起因和根源，獲得振動分量的頻率成分。

3）為判斷故障的性質(zhì)，應對振動的時域波形、軸心軌跡、渦動方向等進行分析。

4）為識別機組故障，相位關系是關鍵參數(shù)，包括同頻和二倍頻的相位，也可用來判斷不同振動參量間的相關性。

5）為全面深入探究復雜的振源特征，需要測量轉(zhuǎn)子中心位置、動平衡、各典型頻率分量下的幅值、振動激擾力特征等。

振動信號。一般是穩(wěn)態(tài)的、隨機的、可以重復獲得的，但隨著運行工況和狀態(tài)參數(shù)的變化，振動量也會隨時間變化，尤其是在機組故障快速發(fā)展和狀態(tài)突變時。環(huán)境和外界作用的變化應及時記錄，作為故障診斷的參考。

振動的誘因：包括機械振動、電磁振動、水力振動、噪聲等，情況比較復雜。

振動信號的分析一般分時域法和頻域法，輔之以作圖制表等手段。

1）時域信號。時域信號的樣本長度（采樣時間或記錄長度）決定于所要研究的信息類型，通常與機組的工作周期或激勵的周期有關。轉(zhuǎn)子平衡所需要得到的相位信息就是用基本周期來表示的。

2）趨勢分析。對于機組的振動信號或過程參數(shù)（如溫度、壓力等）信號，連續(xù)地或周期性地記錄其變化過程，分析其工作狀態(tài)和發(fā)展趨勢，例如，可以用振幅隨時間變化曲線表示軸承磨損、間隙增大而導致機組振幅上升的自然趨勢。

3）頻譜分析。是機組振動分析與診斷最基本的工具，它建立在快速傅立葉變換（FFT）的基礎上，并輔之以濾波、細化、平均等技術，也包括白譜和互譜等。

4）相位分析。相位量化了兩個信號之間的時間差，它們可以是兩個振動信號，也可以是一個振動信號與一個激勵信號，或者取自一個振動信號與基本轉(zhuǎn)速的參考信號。

5）軌跡分析?？梢蕴峁┹S承的預負荷，能提供轉(zhuǎn)子的渦動頻率以及進動方向，還能顯示軸頸在軸承中的位移。

2.4.3故障診斷推理

系統(tǒng)將多種診斷方法有效融合后進行故障診斷推理，包括泄水錐松動；尾水渦帶振動過大；導水機構傳動部件松動；主軸密封潤滑不良；大軸密封偏磨；機組軸線異常；主軸法蘭螺栓松動；導軸承不對中；導軸承支撐部分有松動或裂紋；導軸承間隔調(diào)整不當；軸瓦受力異常；推力軸承潤滑不良；推力軸承彈性油箱異?；蚱渌收匣蛉毕?。

2.4.4瞬態(tài)分析功能

水輪機瞬態(tài)過程也稱過渡過程，系統(tǒng)應實時在線記錄機組啟機、停機、甩負荷過程中的全部數(shù)據(jù)，瞬態(tài)分析模塊對這些數(shù)據(jù)進行收集、整理、分析和處理。主要實現(xiàn)對以下功能的分析：

a.過渡過程中機組的穩(wěn)定性；

b.調(diào)速器性能；

c.勵磁系統(tǒng)性能；

d.啟、停機過程狀態(tài)；

e.過渡過程故障；

f.過渡過程中高速錄波和回放；

2.4.5優(yōu)化運行功能

通過在線測量，實時掌握機組運行狀態(tài)和性能，系統(tǒng)通過對機組運行性能在線跟蹤分析，向用戶提供機組不穩(wěn)定運行工況，提醒用戶避開危險點運行等措施，以延長機組壽命，也可結(jié)合機組效率測試、振動測試等結(jié)果，合理進行機組組合，實現(xiàn)經(jīng)濟運行。

2.4.6性能評估功能

系統(tǒng)對機組檢修后的性能進行評估，可得到機組動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能的測試結(jié)論。

系統(tǒng)以曲線或三維面等多種形式，自動顯示機組穩(wěn)定性隨功率的變化曲面，利用記錄的狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以分別生成機組檢修前和檢修后的各種性能曲線、參數(shù)等分析結(jié)果，從而科學、量化檢修效果，達到檢修驗收的目的，為電廠檢修管理提供技術支持。

2.4.7分析功能

對監(jiān)測參量數(shù)據(jù)進行采集處理，實現(xiàn)對比分析、相關分析、趨勢分析等功能。有條件情況下實施事故模擬試驗，掌握數(shù)據(jù)間的影響程度和相互關系，從而制定監(jiān)測方案。由系統(tǒng)判斷起動、運行、負荷變化、停機等工況狀態(tài)，對輸入數(shù)據(jù)的采樣頻率、相互關系、異常判斷、表示方法及人機對話等予以重點分析。

2.4.8事故追憶

二級報警量觸發(fā)時，在分析圖表畫面中選擇帶時標實時記錄的相關量，與觸發(fā)的報警量以圖表形式呈現(xiàn)在同一畫面，查找報警觸發(fā)的原因。

2.4.9用戶自主診斷

根據(jù)提取的特征參數(shù)，實現(xiàn)自主分析、查詢設備故障原因。該功能針對設備診斷專家缺乏、新的分析診斷方法和手段不能很快地得到推廣應用等現(xiàn)狀，充分利用網(wǎng)絡技術，融合最新診斷技術，綜合應用視頻、音頻、短信、EMAIL、BBS等多種交互方式，構建基于Internet的“用戶-專家”緊密聯(lián)系的設備遠程監(jiān)測和診斷平臺，為在線診斷提供技術手段。

2.4.10相關分析

對振動、擺度、脈動、氣隙、功率、斷路器位置、機端電壓、定子電流、開度等值后，在不同轉(zhuǎn)速、勵磁電流/電壓、負荷、溫度變化等情況進行相關分析。

實現(xiàn)流量效率、錄波、假同期測試（采集斷路器-同期點兩側(cè)的電壓，根據(jù)頻率、電壓、相位實現(xiàn)同期測試）。

現(xiàn)場試驗：如采集勵磁電流、電壓、定子電流可做空載實驗等。

甩負荷實驗轉(zhuǎn)速、壓力、電壓變化分析。

2.4.11遠程診斷功能

系統(tǒng)支持電廠生產(chǎn)現(xiàn)場、電廠辦公區(qū)及廠家通過互聯(lián)網(wǎng)對機組狀態(tài)進行遠程故障診斷，既支持在線監(jiān)測系統(tǒng)，也支持離線監(jiān)測。

遠程診斷功能建立在電廠整個系統(tǒng)結(jié)構基礎上，遠程終端（授權用戶）作為系統(tǒng)一個節(jié)點，登錄到系統(tǒng)中完成對機組及相關設備的運行參數(shù)及狀態(tài)報告查詢。

三、結(jié)語

本文所述水電廠機組狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)，較全面介紹了系統(tǒng)結(jié)構與系統(tǒng)功能。提出了實現(xiàn)水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測的必要性，針對設備檢修的要求提供設備狀態(tài)檢修輔助。

（作者單位：四川中鼎科技有限公司 ）

作者簡介：

唐洪（1975-），男，工程師，碩士研究生，從事水電廠自動化技術開發(fā)及項目管理。